(57)【要約】【課題】光電変換素子で発生して蓄積された電荷のみを増倍することが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】ＣＣＤ型の固体撮像素子であって、半導体基板１内に形成された光電変換素子（ｎ層２、ｐ層３）と、光電変換素子で発生した電荷を転送するための電荷転送チャネル５と、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷転送チャネル５に読み出すための電荷読み出し領域６と、電荷読み出し領域６上にゲート絶縁膜１０を介して形成された電極であって、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷転送チャネル５に読み出す制御を行うための電荷読み出し電極８とを備え、平面視において、光電変換素子と電荷読み出し電極８との間に隙間が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＣＤ型の固体撮像素子であって、
半導体基板内に形成された光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷を転送するための電荷転送チャネルと、
前記電荷を前記電荷転送チャネルに読み出すための電荷読み出し領域と、
前記電荷読み出し領域上にゲート絶縁膜を介して形成された電極であって、前記電荷を前記電荷転送チャネルに読み出す制御を行うための電荷読み出し電極とを備え、
平面視において、前記光電変換素子と前記電荷読み出し電極との間に隙間が設けられている固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
平面視において、前記電荷読み出し領域と前記電荷読み出し電極とが重なる部分の、前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに向かう方向の幅をＬとしたとき、０μｍ＜Ｌ＜０．３４μｍとなっている固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像素子であって、
０μｍ＜Ｌ≦０．３μｍとなっている固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記半導体基板上方に形成され、前記光電変換素子上方に開口が形成された遮光膜と、
前記電荷読み出し電極に印加される前記電荷を読み出すための読み出し電圧とは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加するための端子とを備える固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子を駆動する駆動部とを備え、
前記駆動部が、前記電荷読み出し電極に前記読み出し電圧を印加している間の一定期間、前記遮光膜に前記読み出し電圧とは逆極性の電圧を印加する撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ型の固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型の固体撮像素子は、多数の光電変換素子と、多数の光電変換素子の各々で発生した電荷を読み出して垂直方向に転送する多数の垂直転送部（ＶＣＣＤ）と、多数のＶＣＣＤの各々を転送されてきた電荷を垂直方向に直交する水平方向に転送する水平転送部（ＨＣＣＤ）と、ＨＣＣＤを転送されてきた電荷に応じた撮像信号を出力する出力部とを備えて構成されている。
【０００３】
ＶＣＣＤは、シリコン基板内に形成された電荷転送チャネルと、電荷転送チャネル上方にゲート絶縁膜を介して形成された多数の電極とから構成される。電荷転送チャネルで電荷を転送する際に、アバランシェ増倍によって電荷を増倍させることで、感度を向上させる技術が知られている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特許第２６０９３６３号公報
【特許文献２】特許第３４８３２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したような電荷転送中に電荷を増倍させる方法では、電荷転送チャネル内にある雑音電荷やスミア電荷等も増倍されてしまうため、Ｓ／Ｎが劣化する。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換素子で発生して蓄積された電荷のみを増倍することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体撮像素子は、ＣＣＤ型の固体撮像素子であって、半導体基板内に形成された光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を転送するための電荷転送チャネルと、前記電荷を前記電荷転送チャネルに読み出すための電荷読み出し領域と、前記電荷読み出し領域上にゲート絶縁膜を介して形成された電極であって、前記電荷を前記電荷転送チャネルに読み出す制御を行うための電荷読み出し電極とを備え、平面視において、前記光電変換素子と前記電荷読み出し電極との間に隙間が設けられている。
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、平面視において、前記電荷読み出し領域と前記電荷読み出し電極とが重なる部分の、前記光電変換素子から前記電荷転送チャネルに向かう方向の幅をＬとしたとき、０μｍ＜Ｌ＜０．３４μｍとなっており、好ましくは、０μｍ＜Ｌ≦０．３μｍとなっている。
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、前記半導体基板上方に形成され、前記光電変換素子上方に開口が形成された遮光膜と、前記電荷読み出し電極に印加される前記電荷を読み出すための読み出し電圧とは逆極性の電圧を前記遮光膜に印加するための端子とを備える。
【００１０】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動部とを備え、前記駆動部が、前記電荷読み出し電極に前記読み出し電圧を印加している間の一定期間、前記遮光膜に前記読み出し電圧とは逆極性の電圧を印加する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光電変換素子で発生して蓄積された電荷のみを増倍することが可能な固体撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す固体撮像素子の半導体基板上方の部材を取り去った状態の平面模式図である。
半導体基板１は、第一の導電型であるｎ型の半導体基板１ａと、ｎ型半導体基板１ａ上に形成された第二の導電型であるｐ型のｐウェル層１ｂとから構成される。ｐウェル層１ｂの表面部には、ｐ型不純物層（以下、ｐ層と略す）３が形成され、ｐ層３の下にｎ型不純物層（以下、ｎ層と略す）２が形成されている。ｎ層２内及びｎ層２とｐウェル層１ｂとのｐｎ接合で光電変換されて発生した電荷（電子）がｎ層２に蓄積される。又、ｐ層３で発生した電荷もｎ層２に蓄積される。ｐ層３とｎ層２とｐウェル層１ｂとによって光電変換素子が構成される。ｐ層３は、ｎ層２の上部の空乏層から半導体基板１表面にノイズが発生するのを防ぐために設けられている。
【００１４】
ｐ層３及びｎ層２の右隣には、少し離間してｎ層からなる電荷転送チャネル５が形成されている。ｐ層３及びｎ層２と電荷転送チャネル５との間のｐウェル層１ｂには、光電変換素子で発生してｎ層２に蓄積された電荷を電荷転送チャネル５に読み出すための電荷読み出し領域６が形成されている。電荷転送チャネル５と電荷読み出し領域６の上方には、シリコン酸化膜やＯＮＯ膜等からなるゲート絶縁膜１０を介して、電荷転送チャネル５に電圧を供給して電荷転送動作を制御するための電荷転送電極と、電荷読み出し領域６に読み出し電圧を供給して電荷読み出し動作を制御するための電荷読み出し電極とを兼ねたポリシリコン等からなる電極８が形成されている。電極８上にはタングステンやアルミニウム等からなる遮光膜９が形成されている。遮光膜９には、光電変換素子の上方において開口が形成されている。
【００１５】
光電変換素子の周囲には、その光電変換素子に蓄積された電荷が読み出される電荷転送チャネル５との間に形成される電荷読み出し領域６を除く部分に、その光電変換素子に蓄積された電荷が読み出されない隣接する電荷転送チャネル５や、その光電変換素子に隣接する光電変換素子等の他の素子との分離を図るための高濃度のｐ型不純物からなる素子分離層７が形成されている。
【００１６】
ｐ層３は、ｐ型不純物の不純物濃度が相対的に低い低濃度不純物層３ａと、低濃度不純物層３ａの表面部に形成された不純物濃度が低濃度不純物層３ａよりも高い高濃度不純物層３ｂとからなる２層構造である。ここで、低濃度不純物層３ａの表面部とは、低濃度不純物層３ａの表面を含む表面付近の内部のことを示す。低濃度不純物層３ａの不純物濃度は、素子分離層７の不純物濃度や、電荷読み出し領域６の不純物濃度よりも低くなっており、これにより、スミアを防止することが可能である。
【００１７】
本実施形態の固体撮像素子の特徴は、図１（ｂ）に示すように、平面視において、光電変換素子と電極８との間に隙間が形成されており、電荷読み出し領域６と電極８とが重なる部分の、光電変換素子から電荷転送チャネル５に向かう方向の幅をＬとしたとき、０μｍ＜Ｌ＜０．３４μｍとなっていることである。尚、Ｌの値が０であると、電荷の読み出しができなくなってしまうため、Ｌの下限値は０よりも大きくしている。このような構成にすることで、ｎ層２に蓄積された電荷が電荷読み出し領域６を通って電荷転送チャネル５に読み出される際に、インパクトイオン化が起こり、電荷が増倍されることが分かった。
【００１８】
図２は、Ｌの値を変化させたときの各値での電荷の増倍率を測定した実験結果を示す図である。図３は、電極８に印加する読み出し電圧の値を変えていったときの各値での、電荷転送チャネル５に溜まった電子数の割合（電荷転送チャネル５に溜まった電子数を、その電子を読み出す前にｎ層２に蓄積されていた電子数で割った値）を測定した実験結果を示す図である。尚、この実験では、電荷読み出し領域６の光電変換素子から電荷転送チャネル５に向かう方向の幅を０．３４μｍとした。
【００１９】
図２に示すように、Ｌが０．３４μｍのときは、増倍率はほぼ１．０となっており、インパクトイオン化は発生していないことが分かる。一方、Ｌが０．３４μｍよりも小さくなると増倍率は１．０よりも大きくなり、インパクトイオン化によって電荷が増倍されていることが分かる。特に、Ｌが０．３μｍ以下になると増倍率の上昇が顕著となっている。又、図３に示すように、Ｌが０．３４μｍのときは、読み出し電圧を上げていくと、ある電圧で電荷転送チャネル５に溜まった電荷数が飽和しているのに対し、Ｌが０．３４μｍよりも小さいときは、読み出し電圧を上げていくと、それに合わせて電荷数も増えている。このことから、読み出し電圧を大きくしても、Ｌの値が０．３４μｍよりも小さくなければ、電荷は増倍されないことが分かる。以上の結果から、０μｍ＜Ｌ＜０．３４μｍとすることで、インパクトイオン化が発生し、電荷が増倍されることが分かる。
【００２０】
以上のような構成の固体撮像素子によれば、光電変換素子内で発生してｎ層２に蓄積された電荷のみを増倍することができる。このため、電荷転送チャネル５内にある雑音電荷やスミア電荷等も増倍されてしまう従来の手法に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。又、固体撮像素子の駆動方法を工夫する必要もないため、従来の手法に比べて高感度化を簡単に実現することができる。
【００２１】
尚、図１に示す固体撮像素子は、電荷読み出し領域６上に電極８が存在しない領域があり、この領域には遮光膜９が形成されている。このことを利用して電荷増倍率をより向上させることも可能である。例えば、図１に示す固体撮像素子に、電極８に印加される読み出し電圧とは逆極性の電圧を遮光膜９に印加するための端子を設けておき、電極８に読み出し電圧を印加している期間中に、読み出し電圧とは逆極性の電圧を遮光膜９に印加することで、インパクトイオン化による電荷増倍効果をより大きくすることができる。
【００２２】
具体的には、上記端子を有する固体撮像素子と、この固体撮像素子を駆動する駆動部とを有するデジタルカメラ等の撮像装置において、この駆動部が、電極８に読み出し電圧を印加してｎ層２から電荷転送チャネル５に電荷を読み出している間に、遮光膜９に読み出し電圧とは逆極性の電圧を印加する駆動を行えば良い。
【００２３】
図４は、正の読み出し電圧を電極８に印加しながら、遮光膜９に負の電圧を印加したときの増倍率の変化を計算したシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションでは、Ｌ＝０．２６μｍとした。
図２にも示したように、Ｌ＝０．２６μｍのときの増倍率は約１．６８である。図４においても、遮光膜９への印加電圧が０Ｖのときの増倍率は約１．６８で変化はない。一方、遮光膜９への印加電圧が−８Ｖのときの増倍率は約１．９０となっており、読み出し電圧の印加時に遮光膜９に読み出し電圧とは逆極性の電圧を印加することで、増倍率が大きくなっていることが分かる。
【００２４】
遮光膜９に電圧を印加した場合、遮光膜９下方の電荷読み出し領域６の電位と、電極８下方の電荷読み出し領域６の電位との電位差が大きくなるため、インパクトイオン化が強く起こり、増倍率が向上しているものと考えられる。
【００２５】
図５〜図７は、駆動部による駆動タイミングの例を示す図である。
図５に示すように、駆動部は、撮影期間中、遮光膜９に負電圧を印加し続けておき、露光期間終了後、電極８に正の読み出し電圧を印加して、電荷を電荷転送チャネルに読み出す駆動を行えば良い。このような駆動を行うことにより、遮光膜９下方の電荷読み出し領域６の電位と、電極８下方の電荷読み出し領域６の電位との電位差を大きくすることができるため、遮光膜９に負電圧を印加しない場合に比べて電荷増倍率を向上させることができる。
【００２６】
又は、図６に示すように、駆動部が、露光期間終了後、電極８に正の読み出し電圧を印加している期間だけ、遮光膜９に負電圧を印加する駆動を行っても良い。又は、図７に示すように、駆動部が、露光期間終了後、電極８に正の読み出し電圧を印加している期間の一部（ｎ層２から電荷転送チャネル５に実際に電荷が移動している期間；例えば読み出し電圧の印加開始後の１μｓｅｃの期間）だけ、遮光膜９に負電圧を印加する駆動を行っても良い。尚、図６や図７に示す駆動において、遮光膜９に電圧を印加するタイミングは、電極８に読み出し電圧を印加するのと同時又は読み出し電圧を印加する直前（数ｎｓｅｃ〜μｓｅｃ前）とすれば良い。
【００２７】
図６や図７に示すように、遮光膜９に電圧を印加する時間を短くすることで、遮光膜９と半導体基板１との間にあるゲート絶縁膜１０にかかるストレスが軽減され、ゲート絶縁膜１０の厚さを厚くする必要がなくなる。その結果、光の回折によるスミアの増大を回避できる。又、消費電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す図
【図２】Ｌの値を変化させたときの各値での電荷の増倍率を測定した実験結果を示す図
【図３】読み出し電圧の値を変えていったときの各値での、電荷転送チャネルに溜まった電子数の割合を測定した実験結果を示す図
【図４】読み出し電圧を印加しながら、遮光膜に負の電圧を印加したときの増倍率の変化を計算したシミュレーション結果を示す図
【図５】駆動部による駆動タイミングの例を示す図
【図６】駆動部による駆動タイミングの例を示す図
【図７】駆動部による駆動タイミングの例を示す図
【符号の説明】
【００２９】
１  半導体基板
２  ｎ層
３  ｐ層
３ａ  低濃度不純物層
３ｂ  高濃度不純物層
５  電荷転送チャネル
６  電荷読み出し領域
７  素子分離層
８  電極
９  遮光膜
１０  ゲート絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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